Создает ли вращающийся пропеллер большее сопротивление, чем остановившийся пропеллер в сценарии с выключенным двигателем?

Я бы не стал следовать советам на форуме. Хотя рассуждение о том, что ветряная мельница действительно создает большее сопротивление, является разумным, я не видел эмпирических доказательств, говорящих о том, сколько это на самом деле переводится в футы в минуту. Единственные исследования, которые я видел, были безрезультатными по этому вопросу и говорят, что есть ряд факторов, которые вы не можете контролировать в этой ситуации. Винт не такой уж большой по сравнению с самим самолетом, поэтому, если вращающийся самолет имеет на 30% большее сопротивление (просто предположение, поскольку я сказал, что не видел реальных цифр), это не заставит вас упасть с высоты. небо.

Я бы порекомендовал следовать процедуре отказа двигателя в POH вашего конкретного самолета. Совет снизить скорость самолета, чтобы попытаться остановить винт, имеет ряд недостатков:

• Отвлечение от важных задач: замедление самолета до остановки винта отвлекает вас от поиска поля для посадки, обеспечения того, чтобы ваши пассажиры были проинструктированы и пристегнуты, подачи сигнала бедствия и попытки перезапустить двигатель. Вы будете достаточно заняты!
• Опасность низкой воздушной скорости: замедление, достаточное для остановки винта, может потребовать очень низкой воздушной скорости, и вы можете совершить сваливание/вращение, что гораздо опаснее планирующей посадки.
• Кривая сопротивления: очень медленный полет до остановки винта приведет к тому, что ваша скорость планирования будет ниже оптимальной, при которой вы получите наилучшее качество планирования. Ниже оптимальной скорости планирования вы начинаете развивать высокую скорость снижения, поэтому к тому времени, когда вы остановите пропеллер, вы потеряете сотни дополнительных футов. Вы можете потерять больше высоты, чем могли бы сэкономить, и потратить на это драгоценное время.
• Велика вероятность, что вы все равно не сможете изменить поведение винта: если у вас сломался коленчатый вал, винт будет вращаться независимо от того, что вы делаете, если вы бросили стержень, он остановится, и вы не сможете заставить его повернуться. ветряк если бы ты летал на скорости 1 мах

Выполнение некоторой математики ставит это в перспективу. Скажем, скорость снижения самолета с неработающим двигателем с вращающимся винтом составляет 1000 футов в минуту, а с неподвижным винтом — 900 футов в минуту. При планировании с высоты 3000 футов это дает вам дополнительные 20 секунд, но, вероятно, потребуется гораздо больше 20 секунд, чтобы замедлиться настолько, чтобы остановить винт, а затем восстановить стабильную скорость полета.

Лететь очень медленно, чтобы остановить пропеллер, — это потенциально опасное отвлечение, просто установите максимальную скорость планирования, и если пропеллер остановится, это будет бонусом.

Ответ: это зависит. Как правило, остановленный пропеллер останавливается, что создает небольшое сопротивление. Пропеллер ветряной мельницы, наоборот, обычно не останавливается, он будет извлекать энергию из воздушного потока и использовать ее для вращения двигателя (что обычно требует умеренного количества энергии), что увеличивает скорость снижения.

Однако стоит ли останавливать пропеллер? Это гораздо более сложный вопрос. Соответствующие вопросы: насколько медленно вы должны двигаться, чтобы остановить пропеллер? Можешь остановить пропеллер? Если для этого требуется падение ниже минимальной скорости снижения на длительный период, это, вероятно, плохая идея, так как снижение быстро увеличивается с уменьшением скорости (вы находитесь на «обратной стороне кривой мощности» каждый раз, когда вы летите ниже минимальной скорости снижения). ).

На некоторых старинных самолетах в некоторых клубах существует или считалось требованием, чтобы пилоты могли останавливать двигатель, опору и перезапускать двигатель в полете, прежде чем им будут предоставлены права пилота, скажем, в клубе Tiger Moth (обычно это с ручным запуском). Широко распространено мнение, что остановка винта заметно увеличивает скольжение. Tiger Moth также имеет большой медленно вращающийся деревянный винт и довольно низкую скорость сваливания.

Что касается того, попробовал бы я это в чрезвычайной ситуации? Почти наверняка нет; если это POH, то конечно ... но я никогда не видел его в POH ни на одном одномоторном самолете, на котором я когда-либо летал. И если я лечу с выключенным двигателем, у меня, вероятно, есть вещи похуже (если только я не летаю на своих более обычных планерах).

Ветряной винт создает гораздо большее сопротивление, по крайней мере, на порядок. Очевидный пример — автожир или вертолет на авторотации, который камнем падает, если ротор остановился.

Сопротивление есть функция площади лопасти для остановленного ротора и функция площади диска для ветряного. Разница наиболее заметна для больших роторов с небольшим количеством лопастей и практически отсутствует для турбовентиляторных двигателей. Этот ответ дает некоторые цифры:

Если мы вычислим составляющую подъемной силы на площадь вертикально самовращающегося ротора, она сравнима с коэффициентом от 1,1 до 1,2 по отношению к площади ротора. Согласно этому источнику , плоская пластина имеет коэффициент лобового сопротивления 1,28, а парашют — 1,4. Так что при вертикальном спуске самовращающийся несущий винт почти не уступает парашюту той же площади.

Если вы находитесь достаточно высоко, когда двигатель останавливается, рекомендуется немного снизить скорость, чтобы пропеллер перестал вращаться. Как только он остановится, вы можете вернуться к нормальному ускорению. Пропеллер обычно больше не начинает вращаться, так как его сопротивление и, следовательно, доступная мощность теперь намного ниже.

Сопротивление значительно больше для ветряного винта.

Свой вклад вносят как аэродинамическое сопротивление, так и потери энергии в двигателе. По моим оценкам, вы утонете как минимум на 200 футов в минуту быстрее, если позволите ветряной мельнице.

Для аэродинамического сопротивления невозможно преобразовать его в оценку в футах в минуту, потому что оно сильно зависит от конструкции винта и общего сопротивления самолета. Но вы можете увидеть здесь: Aerodynamics for Naval Aviators, 1965 (стр. 149 в номерах страниц или 167 в PDF), что лобовое сопротивление может значительно увеличиться.

Типичный винт с фиксированным шагом имеет угол наклона около 15 градусов (подробнее внизу). Винт с постоянной скоростью вращения, который потерял давление масла и не флюгирует автоматически, вероятно, больше похож на 5 градусов. (Операющие винты используются на самолетах с несколькими двигателями для уменьшения сопротивления при отказе одного двигателя. Неоперенные винты используются на самолетах с одним двигателем, поэтому, если управление тангажем выходит из строя, но двигатель все еще работает, вы не теряете всю свою мощность) . В целом фактическое паразитное (простое аэродинамическое) сопротивление воздушного винта увеличивается в 3 раза.. Не на порядки, но существенно. Поскольку у меня нет возможности оценить, какая часть общего сопротивления связана с винтом, все, что я могу сказать, это то, что это, вероятно, заметно. Однако, если у вас есть круизный винт или регулируемый винт, настроенный на высокий шаг, возможно, он работает почти даже, так как выше 22 градусов винт ветряного двигателя на самом деле имеет меньшее сопротивление.

Но есть еще дополнительный фактор лобового сопротивления, создаваемого двигателем, который, вероятно, гораздо более значителен. Можно придумать разумную приблизительную цифру. Требуется оценка и физика средней школы.

Самолет без двигателя теряет потенциальную энергию в виде высоты на сопротивление. Поскольку скорость самолета не меняется, его кинетическая энергия тоже не меняется, и необходимо учитывать только потенциальную энергию. Мы рассчитываем, как быстро из самолета уходит энергия вращающегося двигателя.

Работа — это количество энергии, которое передается из одного места в другое, а мощность — это количество работы за время. Формула для работы (во вращательной системе, например, в двигателе) представляет собой крутящий момент * тета, где тета — это общее угловое расстояние поворота. Мощность (ватты) выражается в джоулях в секунду, хотя здесь я буду вычислять мощность в джоулях в минуту, потому что другие наши единицы измерения времени также в минутах. Джоуль, конечно же, является единицей как работы, так и энергии.

Предположим, что самолет массой 1000 кг летит на высоте 1500 метров над уровнем земли. Его потенциальная энергия равна:

1000 kg * 1500 meters * 9.8 (gravity) = 14,700,000 J (14.7 mJ)

Предполагая, что пропеллер вращается со скоростью 200 об / мин, угловая скорость равна:

2pi radians / revolution * 200 revolutions / minute = ~1260 radians / minute

Я оцениваю крутящий момент, выраженный в ньютон-метрах, где-то между 50 и 500 Нм, с тенденцией к высокой стороне. 50 из моего личного опыта вращения пропеллера на малых скоростях вручную, это примерно столько же силы; но в воздухе я думаю, что это очень оптимистично. 500 — более высокая оценка, обоснованная следующим.

Одномоторные самолеты, такие как Cessna 172, часто имеют двигатель мощностью 180 л.с. Пропеллер обычно имеет достаточную способность захвата воздуха, чтобы передать эти 180 л.с. в воздух при красной черте двигателя ~ 2700 об / мин.

Преобразование HP в джоули в минуту (1 ватт = 1 джоуль в секунду):

180 HP * (746 watts / HP) * (60 seconds / minute) = 8057 kJ / minute

Предполагая, что эффективность гребного винта относительно постоянна в зависимости от числа оборотов в минуту, вы можете линейно преобразовать мощность гребного винта в число оборотов в минуту:

8057 kJ / minute * (200 RPM / 2700 RPM) = 596 kJ / minute

Таким образом, воздушный винт должен иметь возможность передавать обратно в двигатель около 600 кДж/минуту. Это примерно соответствует моей оценке в 500. Однако, поскольку не вся нормальная мощность двигателя идет на гребной винт (из-за механических потерь и вспомогательного оборудования, приводимого в действие двигателем), оценка в 500 кажется довольно близкой, и я придерживаюсь это ради более простой математики. Эта оценка довольно условна — многие источники ошибок, такие как изменения эффективности винта в зависимости от числа оборотов в минуту и ​​движение задним ходом, игнорируются. Но если пропеллер менее эффективен, он рассеивает больше энергии, так что даже моя высокая оценка может быть слишком низкой.

Вернемся к отказу двигателя. Следовательно, мощность, выделяемая двигателем, равна:

1260 * (50 to 500 or you pick) = 63 kJ to 630 kJ per minute

Cessna 152 имеет скорость снижения 725 футов в минуту при полете в лучшем режиме планирования с остановленным винтом (наилучшие скорости планирования обычно указываются с остановленным винтом); Cessna 172 ближе к массе, которую я использую, и имеет аналогичные характеристики планирования, поэтому я буду использовать тот же номер. Во всяком случае, это примерный расчет. При скорости снижения 725 футов в минуту (221 метр в минуту) обычно требуется 6,78 минуты, чтобы сбросить те 1500 метров высоты, с которых вы начали. Разделив потенциальную энергию на время:

14,700,000 / 6.78 = 2.168 MJ/min energy loss

По минимальной оценке (вероятно, разумной только для двигателя с полной потерей сжатия, но без каких-либо других повреждений), потеря дополнительных 63 кДж/мин только увеличивает скорость снижения на

(2.168 + .063) / 2.168 = 1.029

около 3%, или от 725 футов в минуту до 746 футов в минуту. Вы можете даже не заметить этого на приборах, хотя, если в результате вы зацепитесь за линию электропередач в последнюю секунду, вы обязательно это заметите. Однако, по высокой оценке, потеря дополнительных 630 кДж/мин увеличит скорость погружения на:

(2.168 + .630) / 2.168 = 1.29

29%, или с 725 футов в минуту до 935 футов в минуту. Это очень важно. И это даже без учета дополнительного аэродинамического сопротивления вращающегося винта. Это происходит только за счет потери энергии в двигателе.

Итак, в заключение: если отключится питание, остановите винт .

Однако есть один последний момент. Если вы потеряли мощность из-за механической неисправности, вполне возможно, что винт остановится сам по себе из-за любого повреждения, вызвавшего потерю мощности. Однако наиболее распространенной причиной потери мощности в полете является нехватка топлива. Если у вас закончилось топливо, винт, вероятно, будет продолжать вращаться, если вы не остановите его самостоятельно.

• Угол наклона в градусах отличается от того, как обычно описывается шаг, который измеряется в дюймах, где обычно используется что-то вроде 76 x 60 дюймов. Вы можете рассчитать угол наклона на основе размеров винта в дюймах, используя формулу для угла наклона спирали . Если вы это сделаете, помните, что шаг винта указан как 75% диаметра лопасти, а не 100%, как в учебниках по математике).

В этой статье , предоставленной Эрбуретом, представлены эмпирические данные для ответа на этот вопрос. Короткий ответ заключается в том, что иногда остановленный пропеллер обеспечивал меньшее сопротивление, а иногда - меньшее сопротивление у ветряного винта. Это на самом деле имеет для меня большой смысл, так как сопротивление должно быть связано с расположением линии давления застоя на опоре.

Несколько наблюдений из других ответов:

• Когда мне задают этот вопрос, я всегда слышу, что вращающийся пропеллер превращается в диск и имеет большую площадь. Это явно неверно, так как площадь лопасти винта всегда одинакова, независимо от того, вращается он или нет.
• Когда винт оперен, винт перестает вращаться, и сопротивление значительно уменьшается. Это создает впечатление, что остановленный воздушный винт имеет гораздо меньшее сопротивление, но на самом деле это связано с тем, что оперенный винт имеет гораздо меньшее сопротивление формы. Тот факт, что опора остановлена, не является основной причиной.

Аргумент, что ветряной винт замедляет самолет, извлекая энергию для вращения заглохшего двигателя, игнорирует тот факт, что замороженный винт пытается повернуть весь самолет. Управляющие входы для поддержания уровня самолета, вероятно, очень близки, и поворотный аэродинамический профиль может на самом деле быть немного менее тяговитым, так что же здесь происходит?

Хорошо известно, что подпорки представляют собой аэродинамические поверхности, и турбулентность, создаваемая одной лопастью, влияет на другую. В случае ветряной мельницы турбулентность, создаваемая пропеллером, оказывает большее влияние на другой аэродинамический профиль, т. е. на крыло.

Скорее всего, это основной фактор потери дальности планирования. Важно понимать, что воздух, по которому скользит самолет, не имеет кинетической энергии для извлечения, все дело в кинетической и потенциальной энергии самолета. Но ветряная мельница снижает эффективность использования энергии самолета, создавая большую турбулентность.

Я проверял это несколько раз на C152. Старт на высоте 10 000 футов и прекращение подачи топлива в двигатель — поднятие носа, чтобы удерживать высоту как можно дольше (тем самым снижая скорость движения вперед) до остановки винта. Затем планирование с пропеллером остановилось на довольно большом расстоянии, пролетев при этом несколько аэропортов. Пропеллер ветряной мельницы оставил меня на значительном расстоянии.

Я знаю, что был странным в молодости, но я летал!

Ветряная мельница позволяет воздушному потоку толкать ее. Остановившийся борется со слипстримом, толкая/отклоняя его в спираль. Реакция на это и есть то, что пытается повернуть самолет, как говорит Роберт ДиДжованни. И он совершает работу, потому что прикладывает силу к воздуху, который в результате этого движется.

Так что я ожидаю меньшего сопротивления от ветряной мельницы. Это все равно, что кататься на велосипеде, а не с заблокированным колесом.

Я предполагаю, что AoA одинаков в обоих случаях, т. е. остановленное не подразумевает оперение. Некоторые люди, кажется, предположили обратное, что мне любопытно: как бы вы раскрыли опору с фиксированным шагом, как указано в ОП.

Остановленный пропеллер останавливается и поэтому создает небольшой крутящий момент, чтобы «раскрутить» самолет. Его сопротивление мало, так как площадь поверхности лезвия мала. Пропеллер ветряной мельницы не остановится, поэтому извлекаемая энергия может быть намного больше. Это зависит от того, свободно вращается ли опора или действительно вращает двигатель.